DE10058578C2

DE10058578C2 - Lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten

Info

Publication number: DE10058578C2
Application number: DE10058578A
Authority: DE
Inventors: Martin Pfeiffer; Karl Leo; Jan Blochwitz; Xiang Zhou
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: DE50111165D1; ES2273923T3; US20040062949A1; CN1475035A; KR20030072355A; BR0115497A; AU2002216935A1; CN100369286C; IN2003DE00736A; ATE341837T1; DE10058578A1; US7074500B2; WO2002041414A1; EP1336208A1; JP2004514257A; JP3695714B2; KR100641900B1; EP1336208B1

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbe sondere eine organische Leuchtdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispiels weise aus der EP 1 017 118 A2 bekannt.

Organische Leuchtdioden sind seit der Demonstration niedriger Arbeitsspannungen von Tang et al. 1987 [C. W. Tang et al. Appl. Phys. Lett. 51 (12), 913 (1987)] aussichtsreiche Kandida ten für die Realisierung großflächiger Displays. Sie bestehen aus einer Reihenfolge dünner (typischerweise 1 nm bis 1 µm) Schichten aus organischen Materialien, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder in ihrer polymeren Form aufgeschleudert werden. Nach elektri scher Kontaktierung durch Metallschichten bilden sie vielfältige elektronische oder optoelek tronische Bauelemente, wie z. B. Dioden, Leuchtdioden, Photodioden und Transistoren, die mit ihren Eigenschaften den etablierten Bauelementen auf der Basis anorganischer Schichten Konkurrenz machen.

Im Falle der organischen Leuchtdioden (OLEDs) wird durch die Injektion von Ladungsträ gern (Elektronen von der einen, Löcher von der anderen Seite) aus den Kontakten in die an schließenden organischen Schichten infolge einer äußeren angelegten Spannung, der folgen den Bildung von Exzitonen (Elektron-Loch-Paaren) in einer aktiven Zone und der strahlenden Rekombination dieser Exzitonen, Licht erzeugt und von der Leuchtdiode emittiert.

Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bau elementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) besteht darin, dass es möglich ist, sehr großflächige Elemente herzustellen, also große Anzeigeelemente (Bildschirme, Screens). Die organischen Ausgangsmaterialien sind gegenüber den anorgani schen Materialien relativ billig (geringer Material- und Energieaufwand). Obendrein können diese Materialien aufgrund ihrer gegenüber anorganischen Materialien geringen Prozeßtempe ratur auf flexible Substrate aufgebracht werden, was eine ganze Reihe von neuartigen An wendungen in der Display- und Beleuchtungstechnik eröffnet.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen Bauelementes stellt eine Anordnung aus einer oder mehrerer der folgenden Schichten dar:

1. Träger, Substrat,
2. Basiselektrode, löcherinjizierend (Pluspol), meist transparent,
3. Löcher injizierende Schicht,
4. Löcher transportierende Schicht (HTL),
5. Licht emittierende Schicht (EL),
6. Elektronen transportierende Schicht (ETL),
7. Elektronen injizierende Schicht,
8. Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Mi nuspol),
9. Kapselung, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.

Dies ist der allgemeinste Fall, meistens werden einige Schichten weggelassen (außer 2., 5. und 8.), oder aber eine Schicht kombiniert in sich mehrere Eigenschaften.

Aus der US 5,093,698 ist es bekannt, die löcherleitende und/oder die elektronenleitende Schicht mit anderen organischen Molekülen zu dotieren, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen. Die weitere Forschung hat aber diesen Ansatz nicht mehr verfolgt.

Weitere bekannte Ansätze zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von OLEDs (also vor allem Betriebsspannung und Lichtemissionseffizienz) sind:

1. die lichtemittierende Schicht zu verbessern (neuartige Materialien) [Hsieh et al. US 5,674,635],
2. die lichtemittierende Schicht aus einem Matrixmaterial und einem Dotanden aufzubauen, wobei ein Energieübertrag von der Matrix zum Dotand stattfindet und die strahlende Re kombination der Exzitonen allein auf dem Dotanden stattfindet [Tang et al. US 4,769,292, US 5,409,783],
3. Polymere (aufschleuderbar) oder niedrigmolekulare (aufdampfbar) Stoffe, welche mehre re günstige Eigenschaften (Leitfähigkeit, Schichtbildung) in sich vereinen, bzw. diese aus Mischung von verschiedenen Materialien herzustellen (vor allem im Falle der polymeren Schichten) [Mori et al. US 5,281,489],
4. die Injektion von Ladungsträgern in die organischen Schichten zu verbessern, indem meh rere Schichten mit stufenweiser Abstimmung ihrer Energielagen verwendet werden, oder entsprechende Mischungen aus mehreren Substanzen verwendet werden [Fujii et al. US 5,674,597, US 5,601,903, Sato et al. US 5,247,226, Tominaga et al. Appl. Phys. Lett. 70 (6), 762 (1997)].

Im Unterschied zu Leuchtdioden auf Basis anorganischer Materialien, die in der Praxis schon seit langer Zeit breite Anwendung finden, müssen die organischen Bauelemente bisher bei erheblich höheren Spannungen betrieben werden. Die Ursache dafür liegt in der schlechten Injektion von Ladungsträgern aus den Kontakten in die organischen Schichten und in der ver gleichsweise schlechten Leitfähigkeit und Beweglichkeit der Ladungsträgertransportschich ten. An der Grenzfläche Kontaktmaterial/Ladungsträgertransportschicht bildet sich eine Po tentialbarriere aus, welche für eine erhebliche Erhöhung der Betriebsspannung sorgt. Abhilfe könnte die Verwendung von Kontaktmaterialien mit höherem Energieniveau (= geringere Austrittsarbeit) zur Injektion von Elektronen in die angrenzende organische Schicht, so wie es in US 5,093,698 schematisch dargestellt ist, oder Kontaktmaterialien mit noch niedrigeren Energieniveaus (höheren Austrittsarbeiten) zur Injektion von Löchern in eine angrenzende organische Schicht, schaffen. Im ersten Fall spricht die extreme Instabilität und Reaktivität der entsprechenden Metalle dagegen, im zweiten Fall die geringe Transparenz dieser Kon taktmaterialien. In Praxi wird daher zur Zeit fast ausschließlich Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Injektionskontakt für Löcher eingesetzt (ein transparenter entarteter Halbleiter), dessen Aus trittsarbeit aber immer noch zu gering ist. Für die Elektroneninjektion kommen Materialien wie Aluminum (Al), Al in Kombination mit einer dünnen Schicht Lithiumfluorid (LiF), Ma gnesium (Mg), Kalzium (Ca) oder eine Mischschicht aus Mg und Silber (Ag) zum Einsatz.

In US 5,093,698 ist die Verwendung von dotierten Ladungsträgertransportschichten (p- Dotierung der HTL durch Beimischung von akzeptorartigen Molekülen, n-Dotierung der ETL durch Beimischung von donatorartigen Molekülen) beschrieben. Unter Dotierung in diesem Sinne ist gemeint, dass durch die Beimischung der Dotiersubstanzen in die Schicht die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in dieser Schicht erhöht wird, verglichen mit den reinen Schichten aus einer der zwei beteiligten Substanzen, was sich in einer verbesserten Leitfähigkeit und besseren Ladungsträgerinjektion aus den angrenzenden Kontaktschichten in diese Mischschicht äußert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektions schichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien verwendet, dazwischen (oder bei der Verwendung nur einer dotierten Schicht, nächstens zum anderen Kontakt) befindet sich die lichtemittierende Schicht. Aufgrund der durch Dotierung erhöhten Gleichgewichtsladungsträ gerdichte und der damit verbundenen Bandverbiegung wird die Ladungsträgerinjektion er leichtert. Die Energielagen der organischen Schichten (HOMO-highest occupied molecular orbital oder hochenergetischste Valenzbandenergie, LUMO-lowest unoccupied molecular orbital oder niederenergetischste Leitungsbandenergie) sollen nach US 5,093,698 so beschaf fen sein, daß sowohl Elektronen aus der ETL als auch Löcher aus der HTL ohne weitere Bar riere in die EL injiziert werden können, was eine sehr hohe Ionisationsenergie des HTL- Materials und eine sehr geringe Elektronenaffinität des ETL-Materials erfordert. Derartige Materialien sind aber nur schwer dotierbar, da extrem starke Akzeptoren bzw. Donatoren be nötigt würden, so dass diese Bedingungen mit in der Realität zur Verfügung stehenden Mate rialien nicht auf beiden Seiten vollständig erfüllt werden können. Verwendet man nun HTL- bzw. ETL-Materialien, die diese Bedingung nicht erfüllen, kommt es bei angelegter Spannung zu einer Akkumulation von Ladungsträgern in den Transportschichten an den Grenzflächen zur emittierenden Schicht (EL). Eine derartige Akkumulation begünstigt prinzipiell die nicht strahlende Rekombination der Exzitonen an der Grenzfläche, z. B. durch die Bildung von Ex ziplexen (diese bestehen aus einem Ladungsträger in der HTL bzw. ETL und dem entgegen gesetzten Ladungsträger in der EL). Solche Exziplexe rekombinieren überwiegend nicht strahlend, so dass die Exziplexbildung einen nichtstrahlenden Rekombinationsmechanismus darstellt. Das Problem der Exziplexbildung verschärft sich zusätzlich, wenn man dotierte HTLs bzw. ETLs verwendet, da in dotierten Materialien die Debysche Abschirmlänge sehr gering ist und damit sehr hohe Ladungsträgerdichten direkt an der Grenzfläche auftreten. Au ßerdem können Dotanden in unmittelbarer Nachbarschaft der EL zu einer Löschung der Fluo reszenz z. B. durch Förstertransfer führen.

In der EP 1 017 118 A2 wird ein organisches elektrolumineszentes Lichtemissionselement beschrieben, welches mindestens eine lichtemittierende Schicht aufweist, die ein organisches lichtemittierendes Material enthält und zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Das Lichtemissionselement enthält gemäß dem in der Fig. 9 gezeigten Ausführungsbei spiel zwischen der Anode und der lichtemittierenden Schicht eine Löchertransportschicht, welche ein Löchertransportmaterial und einen Akzeptor enthält, eine Elektronentransport schicht, welche ein Elektronentransportmaterial und einen Donator enthält, und eine Elektro nenblockierschicht auf der Löcherseite und eine Löcherblockierschicht auf der Elektronen seite des Elements. Die Blockierschichten sollen jeweils die Injektion von Ladungsträgern der einen Sorte aus der Emitterschicht in die Transportschicht der jeweils anderen Ladungsträger sorte verhindern. Zu diesem Zweck müssen die Blockierschichten jedoch relativ dick ausge führt werden.

Die U.S. 5,343,050 zeigt ein organisches elektrolumineszentes Bauelement mit einer organi schen Elekfroneninjektionsschicht und einer organischen Löcherinjektionsschicht, wobei mindestens eine von beiden Injektionsschichten aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut ist und zwischen beiden Injektionsschichten eine organische Lichtemissionsschicht eingesetzt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Licht emittierendes Bauelement auf Basis do tierter Ladungsträgertransportschichten anzugeben, das mit einer verringerten Betriebsspan nung betrieben werden kann und eine erhöhte Lichtemissionseffizienz aufweist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen des kennzeichnenden Teils gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Ladungsträgertransportschicht ist durch eine Beimischung einer organischen oder anor ganischen Substanz (Dotand) dotiert. Die Blockschicht befindet sich erfindungsgemäß zwi schen der Ladungsträgertransportschicht und einer lichtemittierenden Schicht des Bauele mentes, in welcher die Umwandlung der elektrischen Energie der durch Stromfluß durch das Bauelement injizierten Ladungsträger in Licht stattfindet. Die Substanzen der Blockschichten werden erfindungsgemäß so gewählt, daß sie bei angelegter Spannung (in Richtung der Be triebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus die Majoritätsladungsträger (HTL-Seite: Lö cher, ETL-Seite: Elektronen) überwiegend an der Grenzschicht dotierte Ladungsträgertrans portschicht/Blockschicht aufhalten, aber die Minoritätsladungsträger effizient an der Grenz schicht Licht emittierende Schicht/Blockschicht aufhalten.

Eine vorteilhafte Ausführung einer Struktur einer erfindungsgemäßen OLED beinhaltet fol gende Schichten:

1. Träger, Substrat,
2. Basiselektrode, löcherinjizierend (Anode = Pluspol), vorzugsweise transparent,
3. p-dotierte Löcher injizierende und transportierende Schicht,
4. löcherseitige Blockschicht (typischerweise dünner als Schicht 3) aus einem Material, dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
5. lichtemittierende Schicht,
6. dünnere elektronenseitige Blockschicht aus einem Material dessen Bandlagen zu den Bandlagen der sie umgebenden Schichten passt,
7. hoch n-dotierte Elektronen injizierende und transportierende Schicht,
8. Deckelektrode, meist ein Metall mit niedriger Austrittsarbeit, elektroneninjizierend (Kathode = Minuspol),
9. Kapselung, zum Ausschluß von Umwelteinflüssen.

Die Substanzen der Blockschichten werden erfindungsgemäß so gewählt, dass sie bei ange legter Spannung (in Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energieniveaus effizient Ladungsträger in die lichtemittierende Schicht (EL) injizieren können und an der Grenzfläche zur EL nichtstrahlende Rekombinationsprozesse wie Exziplexbildung unwahrscheinlich sind, Ladungsträger aus der EL aber nicht in die genannte zweite Schicht injiziert werden können. Das bedeutet, daß die Substanzen der Blockschichten erfindungsgemäß so gewählt werden, daß sie bei angelegter Spannung (in Richtung der Betriebsspannung) aufgrund ihrer Energie niveaus die Majoritätsladungsträger (löcherseitig: Löcher, elektronenseitig: Elektronen) überwiegend an der Grenzschicht dotierte Ladungsträgertransportschicht/Blockschicht auf halten, aber die Minoritätsladungsträger effizient an der Grenzschicht lichtemittierende Schicht/Blockschicht aufhalten.

Es ist auch im Sinne der Erfindung, wenn nur eine Blockschicht Verwendung findet, weil die Bandlagen der injizierenden und transportierenden Schicht und der Lichtemissionsschicht bereits auf einer Seite zueinander passen. Auch kann unter Umständen nur eine Seite (löcher- oder elektronenleitende) dotiert sein. Des weiteren können die Funktionen der Ladungsträge rinjektion und des Ladungsträgertransports in den Schichten 3 und 7 auf mehrere Schichten aufgeteilt sein, von denen mindestens eine dotiert ist. Die molaren Dotierungskonzentrationen liegen typischerweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 10000. Falls die Dotanden wesentlich kleiner sind als die Matrixmoleküle, können in Ausnahmefällen auch mehr Dotanden als Matrixmo leküle in der Schicht sein (bis 5 : 1). Die Dotanden können organisch oder anorganisch sein. Typische Schichtdicken für die Blockschichten liegen im Bereich 1 nm bis 20 nm, können unter Umständen aber auch dicker sein. Typischerweise sind die Blockschichten dünner als ihre entsprechenden angrenzenden dotierten Schichten. Die Schichtdicken der Blockschichten müssen groß genug sein, um Exziplexbildung zwischen den geladenen Molekülen der Sub stanzen in den entsprechend angrenzenden Mischschichten und den geladenen Molekülen der elektrolumineszierenden Schicht und Lumineszenzlöschung durch die Dotanden selbst zu verhindern.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Bild 1 eine theoretisch ideale dotierte OLED Struktur

Bild 2 eine in der Praxis vorhandene dotierte OLED ohne Blockschicht

Bild 3 eine dotierte OLED mit Blockschichten

Bild 4 eine nur auf der Löcherseite dotierte OLED mit dortiger Blockschicht

In Bild 1 ist eine theoretisch ideale Struktur dargestellt, bestehend aus einer Anode (E_A), einer hoch p-dotierten Löcherinjektions- und Transportschicht (E_Vp, E_Cp, E_Fp), einer elektrolumi neszierenden Schicht (E_Vel, E_Cel, E_Fel), einer hoch n-dotierten elektroneninjizierenden und transportierende Schicht (E_Vn, E_Cn, E_Fn) und einer Kathode. Mit angelegter Spannung (Anode positiv gepolt) werden Löcher aus der Anode und Elektronen aus der Kathode in Richtung lichtemittierende Schicht injiziert. Da für Löcher an der Grenzfläche p-dotierter Schicht zur lichtemittierenden Schicht keine Barriere auftritt (E_Vp < E_Vel), und für Elektronen an der Grenz fläche n-dotierter Schicht zur lichtemittierenden Schicht ebenfalls nicht (E_Cn < E_Cel), sowie an den Grenzflächen lichtemittierende Schicht zur p-dotierten bzw. n-dotierten Schicht für Elek tronen resp. Löcher eine hohe Barriere besteht (E_Cel < E_Cp bzw. E_Vel < E_Vn), sammeln sich die Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in der lichtemittierenden Schicht, wo sie effizient Exzitonen bilden und strahlend rekombinieren können. In der Realität sind Schichtkombina tionen mit den oben genannten Parametern bis heute nicht zu finden und werden vielleicht nie gefunden werden, da diese Schichten eine Vielzahl von teilweise widerstrebenden Eigen schaften in sich vereinigen müssen. Eine realisierbare Schichtstruktur sieht wie in Bild 2 (schematische Bandlagen) angegeben aus.

Der bisher beste bekannte organische Akzeptor zur p-Dotierung organischer Materialien (Te tra-fluoro-tetracyano-chinodimethan F₄-TCNQ) kann aufgrund seiner Bandlage E_Cpdot Mate rialien mit einer Valenzbandlage von ca. E_Vp = -5.0 . . . -5.3 eV effizient dotieren. Das meistver wendete Material zur Erzeugung von Elektrolumineszenz, Aluminium-tris-quinolinate (Alq₃) hat eine Valenzbandlage von E_Vel = -5.65 eV. Somit werden die in der p-dotierten Schicht ge leiteten Löcher an der Grenzfläche zur elektrolumineszierenden Schicht geblockt (E_Vp < E_Vel). Das gleiche gilt für die Grenzfläche zwischen n-dotierter und lichtemittierender Schicht (E_Cn < E_Cel), da das Leitungsband eines grünen oder blauen Emittermaterials sehr weit vom Valenzband entfernt ist (große Bandlücke E_Cel - E_Vel). Um aber überhaupt noch eine gute Kon versionseffizienz zu erreichen, müssen die Bandlagen am Übergang lichtemittierender Schicht zur p-leitenden Schicht für Elektronen und lichtemittierender Schicht zur n-leitenden Schicht für Löcher noch so beschaffen sein, daß Elektronen bzw. Löcher auch dort effizient geblockt werden (E_Cel < E_Cp bzw. E_Vel < E_Vn), wie zuvor für den theoretisch idealen Fall beschrieben. Damit ergibt es sich aber, daß sich bei angelegter Spannung an den Grenzflächen der dotierten Schichten zur lichtemittierenden Schicht Ladungsträger akkumulieren. Bei Akkumulation entgegengesetzter Ladung auf beiden Seiten einer Grenzfläche treten vermehrt nichtstrahlende Rekombinationsprozesse z. B. durch Bildung von Exziplexen auf, was wiederum die Konver sionseffizienz von elektrischer in optische Energie verringert. Mit einer LED mit dieser Schichtstruktur kann man also durch Dotierung die Betriebsspannung verringern, aber nur auf Kosten der Effizienz.

Erfindungsgemäß wird der Nachteil der bisherigen Strukturen durch OLEDs mit dotierten Injektions- und Transportschichten in Verbindung mit Blockschichten vermieden. Bild 3 zeigt eine entsprechende Anordnung.

Zwischen der löcherinjizierenden und -leitenden Schicht und der lichtemittierenden Schicht befindet sich hierbei eine weitere Schicht, die löcherseitige Blockschicht. Die wichtigsten Bedingungen zur Auswahl dieser Schicht sind: E_Vblockp - E_Vel < 0,3 eV, damit Löcher an der Grenzfläche löcherleitender Blockschicht/lichtemittierender Schicht nicht geblockt werden. Weiterhin muß gelten: E_Cblockp < E_Cel, damit Elektronen die lichtemittierende Schicht nicht verlassen können. Analog und mit den selben Argumenten muß auf der Elektronenseite gel ten: E_Cblockn - E_Cel < -0,3 eV und E_Vblockn < E_Vel. Da für reale Materialien E_Vp < E_Vel und E_Cn < E_Cel gilt, werden also nun Löcher an der Grenzfläche p-dotierter Schicht - löcherseitiger Block schicht und an der Grenzfläche lichtemittierender Schicht/elektronenseitiger Blockschicht schwach geblockt, Elektronen an den Grenzflächen n-dotierter Schicht zur elektronenseitigen Blockschicht und lichtemittierenden Schicht zur löcherseitigen Blockschicht. Somit sind die Ladungsträger verschiedener Polarität jeweils durch die Dicke der Blockschichten räumlich getrennt. Da diese Trennung bereits über einige Molekülmonolagen sehr effizient Exziplex bildung verhindert, reicht eine sehr geringe Schichtdicke von einigen nm für die Block schichten aus. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass sich in unmittelbarer Nähe der Exzitonen in der lichtemittierenden Schicht keine Dotanden mehr befinden, so daß eine Lu mineszenzlöschung durch die Dotanden ausgeschlossen ist.

Diese Anordnung zeichnet sich durch folgende Vorzüge aus:

- eine hohe Ladungsträgerdichte beider Arten in der lichtemittierenden Schicht bereits bei kleinen Spannungen,
- hervorragende Injektion der Ladungsträger von Anode und Kathode in die p- und n- dotierten Ladungsträgertransportschichten,
- hervorragende Leitfähigkeiten in den dotierten Schichten,
- aufgrund ihrer geringen Dicke nur geringe Spannungsverluste in den Blockschichten,
- keine Bildung von Exziplexen, wegen räumlicher Trennung der Ladungsträger unter schiedlicher Polarität,
- kein Quenching durch Dotanden.

Dies zusammen führt zu hohen Konversionseffizienzen bei niedriger Betriebsspannung für OLEDs mit dieser Schichtstruktur. Dabei können für die lichtemittierende Schicht auch aus der Literatur bekannte Mischschichten eingesetzt werden, welche die Rekombinationseffizi enz der Exzitonen steigern, oder die ebenfalls bekannten phosphoreszierenden Materialsyste me mit ihrer höheren Quanteneffizienz.

Erfindungsgemäß ist es natürlich auch, nur auf einer Seite (Löcher oder Elektronenseite) do tierte Schichten in Kombination mit einer oben beschriebenen Blockschicht (nur einer) zu verwenden (Bild 4).

Die erfindungsgemäße Schichtfolge führt zwangsläufig zu einer stufenweisen Erhöhung der Transportniveaus E_A < E_Vp < E_Vblockp auf der Löcherseite bzw. umgekehrt einer stufenweisen Erniedrigung der Transportniveaus E_K < E_Cn < E_Cblockn auf der Elektronenseite. Die energeti schen Verhältnisse in der erfindungsgemäßen Struktur (wie oben dargelegt) werden aus fol genden Gründen so gewählt: Das Problem der Injektionsbarriere vom Kontakt in die Trans portschichten wird durch die Bandverbiegung in den dotierten Schichten und damit durch Tunnelinjektion gelöst, so dass die Energieniveaus hierfür weitgehend irrelevant werden. Die Energieniveaus der zu dotierenden Schichten werden aufgrund der begrenzten Stärke der zur Verfügung stehenden Dotanden wie oben beschrieben gewählt, während die Energieniveaus der Blockschichten dazu dienen, die Exziplexbildung zu verhindern.

Als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel soll hier eine Lösung angegeben werden, bei der nur auf der Löcherseite die Kombination aus p-dotierter Injektions- und Transportschicht und Blockschicht eingesetzt wird. Die OLED weist folgende Schichtstruktur auf:

1. Anode: Indium-Zinn-Oxid (ITO)
2. p-dotierte Schicht: 100 nm Starburst TDATA 50 : 1 dotiert mit F₄-TCNQ
3. löcherseitige Blockschicht: 10 nm Triphenyldiamin (TPD)
4. elektrolumineszierende und (in diesem Fall) herkömmliche elektronenleitende Schicht: 65 nm Alq3
5. Kathode: 1 nm LiF in Kombination mit Aluminium (LiF verbessert die Injektion am Kon takt).

Die gemischte Schicht (2.) wurde in einem Aufdampfprozeß im Vakuum in Mischverdamp fung hergestellt. Prinzipiell können solche Schichten auch durch andere Verfahren hergestellt werden, wie z. B. einem Aufeinanderdampfen der Substanzen mit anschließender möglicher weise temperaturgesteuerter Diffusion der Substanzen ineinander; oder durch anderes Auf bringen (z. B. Aufschleudern) der bereits gemischten Substanzen im oder außerhalb des Vaku ums. Die Blockschicht wurde ebenfalls im Vakuum aufgedampft, kann aber auch anders her gestellt werden, z. B. durch Aufschleudern innerhalb oder außerhalb des Vakuums.

Die Energielagen der HOMO und LUMO-Energien betragen:
ITO Austrittsarbeit E_A ≈ -4.6 eV (sehr präparationsabhängig)
TDATA: E_Vp = -5.1 eV, E_Cp ≈ -2.6 eV
TPD: E_Vblockp = -5.4 eV, E_Cblockp = -2.3 eV
Alq3: E_Vel = -5.65 eV, E_Cel = -2.9 eV
Al: E_K = -4.3 eV

Bei dieser Anordnung sind die Forderungen E_Vblockp - E_Vel < 0,3 eV (0.25 eV Differenz) und E_Cblockp < E_Cel (0.6 eV), sowie E_Vp < E_Vblockp (0.3 eV) erfüllt. Diese OLED weist bei 3.4 V eine Lumineszenz von 100 cd/m² auf, mit einer Effizienz von 2 cd/A. Mit einer undotierten Schicht TDATA werden 100 cd/m² erst bei ca. 7.5 V erzielt. Bei einer OLED wie oben beschrieben, aber ohne TPD-Blockschicht betragen die Kenndaten: 8 V für 100 cd/m² und eine um den Faktor 10 schlechtere Effizienz!

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, wie wirkungsvoll die Kombination aus dotierter Transport schicht und Blockschicht hinsichtlich der Optimierung von Betriebsspannung und Lichtemis sionseffizienz ist.

Bezugszeichenliste

E_A

Austrittsarbeit der Anode
E_Vp

höchstes besetztes molekulares Energieniveau (im Valenzband, HOMO) der Injekti ons- und Transportschicht für Löcher
E_Cp

niedrigstes unbesetztes molekulares Energieniveau (Leitungsband bzw. LUMO) der Injektions- und Transportschicht für Löcher
E_Cpdot

LUMO Energie des p-dotierenden Materials (Akzeptor)
E_Fp

Ferminiveau der p-dotierten Schicht
E_Vblockp

HOMO Energie der löcherseitigen Blockschicht
E_Cblockp

LUMO Energie der löcherseitigen Blockschicht
E_Fblockp

Ferminiveau der löcherseitigen Blockschicht
E_Vel

HOMO Energie der lichtemittierenden Schicht
E_Cel

LUMO Energie der lichtemittierenden Schicht
E_Fel

Ferminiveau der lichtemittierenden Schicht
E_Vblockn

HOMO Energie der elektronenseitigen Blockschicht
E_Cblockn

LUMO Energie der elektronenseitigen Blockschicht
E_Fblockn

Ferminiveau der elektronenseitigen Blockschicht
E_Vn

HOMO Energie der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
E_Cn

LUMO Energie der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
E_Vndot

HOMO Energie des n-dotierenden Materials (Donor)
E_Fn

Ferminiveau der Injektions- und Transportschicht für Elektronen
E_K

Austrittsarbeit der Kathode

1

Anode

2

Löchertransportschicht

2

' Elektronentransportschicht

3

löcherseitige Blockschicht

3

' elektronenseitige Blockschicht

4

lichtemittierende Schicht

5

Kathode

6

elektronentransportierende und lichtemittierende Schicht
E_Velp

höchstes besetztes Energieniveau (Valenzband) der elektrolumines zierenden Schicht (auf der Seite der Löcherinjektion)
E_Celn

niedrigstes unbesetztes Energieniveau (Leitungsband) der elektro lumineszierenden Schicht (auf der Seite der Elektroneninjektion)

Claims

1. Lichtemittierendes Bauelement mit organischen Schichten, insbesondere organische Leuchtdiode, mit
einer löcherinjizierenden Anode (1), einer elektroneninjizierenden Kathode (5), einer lichtemittierenden Schicht (4), welche ein höchstes besetztes Energieniveau E_Vel und ein niedrigstes unbesetztes Energieniveau E_Cel aufweist,
einer Löchertransportschicht (2) und einer löcherseitigen Blockschicht (3), welche ein höchstes besetztes Energieniveau E_Vblockp und ein niedrigstes unbesetztes Energieniveau E_Cblockp aufweist, und/oder
einer Elektronentransportschicht (2') und einer elektronenseitigen Blockschicht (3'), welche ein höchstes besetztes Energieniveau E_Vblockn und ein niedrigstes unbesetztes Energieniveau E_Cblockn aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Materialien der Schichten derart gewählt sind, dass folgende Bedingungen erfüllt sind:
E_Vblockp - E_Vel < 0,3 eV
E_Cblockp < E_Cel
E_Cblockn - E_Cel < -0,3 eV
E_Vblockn < E_Cel.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löchertransportschicht (2) und die Elektronentransportschicht (2') jeweils eine organische Hauptsubstanz auf weist und die Löchertransportschicht (2) eine akzeptorartige Dotierungssubstanz und/oder die Elektronentransportschicht (2') eine donatorartige Dotierungssubstanz aufweist.

3. Bauelement nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass falls E_Vp < E_Velp, und/oder E_Cn < E_Celn gilt, dann auch gelten muss:
E_Vp < E_Vblockp, und/oder E_Cn < E_Cblockn.

4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (1) und Katho de (5) metallisch sind.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht folge aus Löchertransportschicht (2), löcherseitiger Blockschicht (3) und lichtemittieren der Schicht (4) mehrfach vorgesehen ist.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lich temittierende Schicht (4) aus mehreren Schichten besteht.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anode (1) und der Löchertransportschicht (2) und/oder zwischen Elektronentransport schicht (2') und Kathode (5) jeweils eine kontaktverbessernde Schicht vorgesehen ist.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die molare Konzentration der Beimischung in der Löchertransportschicht (2) und/oder in der Elektro nentransportschicht (2') im Bereich 1 : 100.000 bis 5 : 1 bezogen auf das Verhältnis Dotie rungsmoleküle zu Hauptsubstanzmoleküle liegt.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht dicken der Löchertransportschicht (2) und/oder der Elektronentransportschicht (2') und der Blockschichten (3, 3') im Bereich 0.1 nm bis 50 µm liegen.

10. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockschichten (3; 3') dünner als ihre entsprechenden angrenzenden dotierten Transportschichten (2, 2') ist/sind.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannten Energieniveaus auf einen zusammengefügten Zustand der Schichten beziehen.